一种声学超表面及其设计方法和声学装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种声学超表面及其设计方法和声学装置，声学超表面包括背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个腔体的侧壁隔声板；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞。由上述内容可知，本发明专利技术提供的声学超表面，根据其预期功能要求来设计确定每个单胞的反射系数及单胞的相位差构成的相位差的空间分布；且进一步根据该相位差的空间分布和反射系数，来确定单胞阵列的排布方式及每个单胞的参数，最终使得声学超表面符合预期功能要求，实现声学超表面对声波相位调制的目的。本发明专利技术提供的声学超表面结构简单且成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种声学超表面及其设计方法和声学装置
本专利技术涉及声学
，更为具体地说，涉及一种声学超表面及其设计方法和声学装置。
技术介绍
声波是声源产生的振动在空气或其他介质中的传播。作为一种信息和能量的传播方式，其在工程
和生产生活中均具有十分广泛的应用。比如：在医疗领域，通过精确控制超声波的场强分布，将能量聚焦到人体结石部位可以实现超声碎石；在军事领域，水下航行器通过特殊的声学表面可以吸收来自声呐的声波，达到隐身效果。可见，有效地控制声波的幅值、相位、传播方向和路径，以及声场的能量分布是实现一系列工程应用的技术基础。声学超表面(AcousticMetasurface)是近年来提出的一种声波调制新方法。该方法主要利用精心设计的微观结构实现反射或透射声波的相位控制，进而实现一系列传统声学表面所不具备的功能，如对平面声波的异常反射、负折射、聚焦、自弯曲等。目前，声学超表面设计中所采用的微观结构主要包括卷曲空间、亥姆霍兹共振腔和共振薄膜三种类型。但是现有的声学超表面结构复杂且加工困难，制备成本较高。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种声学超表面及其设计方法和声学装置，有效解决现有技术存在的技术问题，声学超表面结构简单且成本低。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案如下：一种声学超表面，包括：背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个腔体的侧壁隔声板；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞，所述单胞的反射系数不小于0.7；多个所述单胞所形成的单胞阵列的排布方式，及每个所述单胞的参数是根据所述反射系数和相位差的空间分布确定；所述反射系数和所述相位差的空间分布是根据所述声学超表面的预期功能要求确定；其中所述相位差为所述单胞的入射声波和反射声波的相位差，所述单胞的参数至少包括所述盖板的孔隙率和/或所述盖板的板厚。可选的，所述盖板与所述腔体形成的单胞的宽度不大于λ/3，λ为入射声波的波长。可选的，所述多个腔体的形状和尺寸均相同。可选的，所述盖板与所述背腔结构之间可拆卸固定。可选的，所述盖板的材质为金属材料或非金属材料。可选的，所述预期功能要求为调控声波的传播路径或声波沿传播路径的能量分布。相应的，本专利技术还提供了一种声学超表面的设计方法，用于设计上述的声学超表面，包括：建立不同参数的单胞的反射系数及其入射声波和反射声波之间的相位差的数据库；基于待设计的声学超表面的预期功能要求，计算所述待设计的声学超表面的单胞阵列的排布方式，以及所述单胞阵列中每个单胞的相位差构成的相位差的空间分布，并控制单胞的反射系数满足工程要求；根据计算结果在所述数据库中确定所述单胞阵列中每个单胞的参数，并依照计算得到的所述单胞阵列的排布方式排布得到声学超表面。可选的，在所述数据库中确定所述声学超表面的单胞的参数后还包括：对所述声学超表面进行功能验证。相应的，本专利技术还提供了一种声学装置，所述声学装置包括上述的声学超表面。相较于现有技术，本专利技术提供的技术方案至少具有以下优点：本专利技术提供了一种声学超表面及其设计方法和声学装置，声学超表面包括背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个腔体的侧壁隔声板；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞，所述单胞的反射系数不小于0.7；多个所述单胞所形成的单胞阵列的排布方式，及每个所述单胞的参数是根据所述反射系数和相位差的空间分布确定；所述反射系数和所述相位差的空间分布是根据所述声学超表面的预期功能要求确定；其中所述相位差为所述单胞的入射声波和反射声波的相位差，所述单胞的参数至少包括所述盖板的孔隙率和/或所述盖板的板厚。由上述内容可知，本专利技术提供的声学超表面，根据其预期功能要求来设计确定每个单胞的反射系数及单胞的相位差构成的相位差的空间分布；且进一步根据该相位差的空间分布和反射系数，来确定单胞阵列的排布方式及每个单胞的参数，最终使得声学超表面符合预期功能要求，实现声学超表面对声波相位调制的目的。本专利技术提供的声学超表面结构简单且成本低。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种声学超表面的结构示意图；图2为图1中AA’方向的切面图；图3为本专利技术实施例提供的一种声学超表面的设计方法的流程图；图4为本专利技术实施例提供的计算相位变化及反射系数的有限元模型(a)以及入射和反射波场(b-c)；图5为本专利技术实施例提供的单胞随板厚T和孔隙率σ变化产生的相位变化(a)和反射系数(b)；图6为本专利技术实施例提供的反射角为30°的异常反射的声学超表面的数值实验结果的示意图；图7为本专利技术实施例提供的反射角为45°、60°的异常反射的声学超表面的数值实验结果的示意图；图8为本专利技术实施例提供的正反射聚焦的声学超表面的数值实验结果的示意图；图9为本专利技术实施例提供的任意点反射聚焦的声学超表面的数值实验结果的示意图；图10为本专利技术实施例提供的自弯曲波束的声学超表面的数值实验结果的示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。正如
技术介绍
所述，声学超表面(AcousticMetasurface)是近年来提出的一种声波调制新方法。该方法主要利用精心设计的微观结构实现反射或透射声波的相位控制，进而实现一系列传统声学表面所不具备的功能，如对平面声波的异常反射、负折射、聚焦、自弯曲等。目前，声学超表面设计中所采用的微观结构主要包括卷曲空间、亥姆霍兹共振腔和共振薄膜三种类型。但是现有的声学超表面结构复杂且加工困难，制备成本较高。基于此，本专利技术提供了一种声学超表面及其设计方法和声学装置，有效解决现有技术存在的技术问题，声学超表面结构简单且成本低。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案如下，具体结合图1至图10对本专利技术提供的技术方案进行详细的描述。结合图1和图2所示，图1为本专利技术实施例提供的一种声学超表面的结构示意图，图2为图1中AA’方向切面图，其中，本专利技术实施例提供的声学超表面包括：背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板110，及设置于所述底隔声板110一侧表面上且围成多个腔体130的侧壁隔声本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种声学超表面，其特征在于，包括：/n背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个腔体的侧壁隔声板；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞，所述单胞的反射系数不小于0.7；/n多个所述单胞所形成的单胞阵列的排布方式，及每个所述单胞的参数是根据所述反射系数和相位差的空间分布确定；所述反射系数和所述相位差的空间分布是根据所述声学超表面的预期功能要求确定；其中所述相位差为所述单胞的入射声波和反射声波的相位差，所述单胞的参数至少包括所述盖板的孔隙率和/或所述盖板的板厚。/n

【技术特征摘要】
1.一种声学超表面，其特征在于，包括：
背腔结构，所述背腔结构包括底隔声板，及设置于所述底隔声板一侧表面上且围成多个腔体的侧壁隔声板；以及，覆盖于所述侧壁隔声板背离所述底隔声板一侧的多个盖板，所述盖板为穿孔板，且所述盖板与所述腔体一一对应形成单胞，所述单胞的反射系数不小于0.7；
多个所述单胞所形成的单胞阵列的排布方式，及每个所述单胞的参数是根据所述反射系数和相位差的空间分布确定；所述反射系数和所述相位差的空间分布是根据所述声学超表面的预期功能要求确定；其中所述相位差为所述单胞的入射声波和反射声波的相位差，所述单胞的参数至少包括所述盖板的孔隙率和/或所述盖板的板厚。


2.根据权利要求1所述的声学超表面，其特征在于，所述盖板与所述腔体形成的单胞的宽度不大于λ/3，λ为入射声波的波长。


3.根据权利要求1所述的声学超表面，其特征在于，所述多个腔体的形状和尺寸均相同。


4.根据权利要求1所述的声学超表面，其特征在于，所述盖板与所述背腔结构之间可拆卸固定。


5.根据权利要求1所述的声学...

【专利技术属性】
技术研发人员：常正，孟岩，贾隆，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11